6. Генеалогічний і близнюковий методи. Хромосомні хвороби

ГЕНАЛОГІЧНИЙ ТА БЛИЗНЮКОВІ МЕТОДИ. ХРОМOСОМНІ ХВОРОБИ.

ЦИТОГЕНЕТИЧНИЙ МЕТОД ЇХ ДІАГНОСТИКИ.

ГЕНЕАЛОГІЧНИЙ ТА БЛИЗНЮКОВИЙ МЕТОДИ.

Основні завдання медичної генетики:

-захист людини від ураження спадкового матеріалу і розвитку спадкових хвороб;

-вивчення спадкових хвороб і синдромів;

-використання генно-інженерних методів

-створення вакцин з метою запобігання інфекцій них хвороб;

- визначення ролі спадковості і середовища у виникненні неспадкових форм патології.

Головна мета медичної генетики полягає в розробці шляхів збереження і продовження життя людини, оздоровлення умов її існування, виявлення екологічних чинників, які призводять до захворювання, запобігання екогенетичних хвороб.

Сучасна медична генетика як розділ генетики людини має цілий ряд самостійних підрозділів: генетика крові й імуногенетика, генетика соматичних клітин, генетика нервової діяльності і поведінки, радіаційна, фармакологічна,

ендокринологічна генетика та ін.

Особливості генетики людини. Людина як біологічна істота, з одного боку,

підпорядкована тим же закономірностям розвитку, що й інші біологічні об'єкти.

А з іншого, - як соціальна істота, людина має свої характерні особливості. Вона не пасивно пристосовується до навколишнього середовища, а активно видозмінює його. Складність людини як біологічної істоти віддзеркалюється і на аналізі генетичних закономірностей успадкування і мінливості. У вивченні генетики людини неможливе довільне, штучне, експериментальне схрещування,

як це проводить генетик з рослинними чи тваринними об'єктами. Крім того, ве-

лика генетична різноманітність людей, обмежена кількістю нащадків у кожній сім'ї, велике число хромосом, груп зчеплення, пізнє настання статевої зрілості,

значна тривалість життя, неможливість тотожних умов існування, відсутність гомозиготних ліній - все це свідчення того, що людина є складним об'єктом для генетичних досліджень.

За таких умов у генетиці людини розроблені й успішно використовуються своєрідні прийоми дослідження спадковості й успадкування: запровадження популяцій-но-статистичного аналізу, реєстрація ознак упродовж тривалого часу, генетика соматичних клітин та ін., які сприяють більш точній оцінці дискретності ознак.

Угенетиці людини широко застосовуються такі методи, як:

-вивчення культур тканин;

-статистичний збір матеріалу щодо поширен ня окремих ознак у різних популяціях;

-вивчення родоводів (генеалогій) окремих сімей і груп, родинно

пов'язаних сімей;

-порівняльне вивчення монозиготних і дизиготних близнюків.

-генетичну зумовленість фізіологічних, біохімічних і морфологічних властивостей окремих тканин і органів людини, психічну й інтелектуальну діяльність;

-статистичні закономірності розподілу генних частот у мікропопуляціях;

-методи захисту генотипу людини від несприятливих чинників довкілля;

-генетичну зумовленість хвороб, їх передачу в поколіннях, прояв в онтогенезі, поширення в популяціях, географічне поширення;

-роль спадковості і середовища у формуванні особистості;

-молекулярні механізми пам'яті;

- накопичення і передавання у поколіннях набутої в онтогенезі інформації тощо.

Організмовий рівень реалізації генетичної інформації

• генотип людини як цілісна система генів організму Організмовий рівень генетичної інформації представлений геномом і генотипом.

Геномом називають сукупність спадкового матеріалу організму, який локалізований в гаплоїдному наборі хромосом.

Геном є видоспецифічним, оскільки являє собою той необхідний набір генів,

який забезпечує формування видових характеристик організмів в онтогенезі.

При статевому розмноженні в процесі запліднення об'єднуються геноми двох батьківських статевих клітин, формуючи генотип нового організму. Всі соматичні клітини такого організму мають подвійний набір генів, отриманих від обох батьків.

На організмовому рівні організації спадкового матеріалу проявляються його наступні властивості:

-здатність до самовідновлення і самокорекції в ряді популяцій клітин;

-підтримання сталості каріотипу в наступних поколіннях організмів;

-здатність до рекомбінації спадкового матеріалу в генотипі;

Генотип людини, як і інших організмів, сформувався еволюційно. Загальна еволюція генотипу еука-ріотів пов'язана з прогресивним збільшенням кількості ДНК, що призвело до великого числа кодуючих ділянок ДНК. Серед можливих механізмів збільшення геному виділяють поліплоїдизацію й ампліфікацію.

Найбільших змін геном зазнає в результаті поліплої-дизації (збільшення кількості ДНК і хромосом, кратне гаплоїдному). Поліплоїдія призводить до збільшення дози всіх генів і створює надлишок генетичного матеріалу, який в подальшому змінюється в результаті мутацій та добору. Очевидно, що в ході еволюції поліплоїдизація супроводжувалася переходом до диплоїдного стану.

Важливим механізмом, який призвів до еволюційного збільшення геному, є

ампліфікація нуклео-тидних послідовностей (утворення їх копій, виникнення ділянок ДНК, що повторюються).

Певне значення в еволюційному визначенні розмірів геному мали і хромосомні перебудови, зокрема делеції, дуплікації, транслокації.

В результаті таких складних еволюційних перетворень у кожного виду організмів сформувалася складна система генотипу, яка представлена різними за функціями генами.

Однак всі ці гени взаємодіють і функціонують як єдине ціле. Розрізняють взаємодію алельних і неалельних генів.

Фенотип людини

• сукупність видових та індивідуальних ознак і властивостей організму.

Фенотип - це сукупність всіх ознак (зовнішніх і внутрішніх) і властивостей організму, які можна спостерігати при анатомічних, фізіологічних, морфологіч-

них і цитологічних дослідженнях. Фенотип - це результат реалізації генотипу за певних умов зовнішнього середовища. У фенотипі майже ніколи не реа-

лізуються всі генетичні можливості, а лише частина з них, для яких умови були оптимальними. Зміна зовнішнього середовища або генотипу може викликати відхилення від нормального фенотипу. Наявність певних генів не означає, що їх дія завершиться розвитком відповідних ознак. На дію багатьох генів впливає зміна зовнішнього середовища. Наприклад, кількість еритроцитів у людини могла змінюватися залежно від висоти місцевості над рівнем моря.

Зміни фенотипу можуть бути зумовлені генетично. Наприклад, різні фенотипні групи крові за системою АВО в людини викликані комбінацією алель-них генів.

Наведені приклади яскраво демонструють, що в реалізації фенотипу важливу роль відіграють як складові генотипу, так і фактори зовнішнього середовища.

Співвідносну роль цих чинників у формуванні фенотипу людини можна оцінити на прикладі монозиготних близнюків, які генетично ідентичні.

Відповідно, фенотипні відмінності у них пов'язані тільки впливом середовища.

При цьому розраховують ступінь подібності (конкордантності) і відмінності

(дискордантності) ознак у близнюків.

Для оцінки ролі спадковості у розвитку тієї чи іншої ознаки роблять розрахунки за формулою:

Н- % подібності ОБ - % подібності ДБ 100 - % подібності ДБ, де Н -

коефіцієнт спадковості (англ. heredity -спадковість), ОБ - одно- і ДБ - двояйцеві близнюки.

При Н, що дорівнює одиниці, ознака цілком визначається спадковим компонентом; при Н, що дорівнює нулю, визначальну роль відіграє вплив сере-

довища. Коефіцієнт, який близький до 0,5, свідчить вих груп (гіпертонічна хвороба, ішемічна хвороба серця, виразкова хвороба тощо). Основним етіологічним чинником в їх розвитку є несприятливі фактори довкілля, однак реалізація їх дії залежить від генетичної схильності . Ці хвороби ще називають мулыпифакто-ріальними, або хворобами з генетичною схильністю.

Четверта - це відносно невелика група захворювань, у розвитку яких виключну роль відіграють чинники зовнішнього середовища (травми, опіки, інфекції).

Таким чином, фенотип людини є результатом взаємодії історично сформованого генотипу, який реалізується під впливом факторів довкілля. Біль-

шість філогенетично сформованих фенотипних ознак людини мають адаптивний характер.

Генетичні карти хромосом людини

Ґрунтуючись на знанні теорії лінійного розташування генів у хромосомі та на підставі кросинговеру, визначивши відстань між ними, вдалося встановити послідовність генів у хромосомі. А. Стерте-вант склав першу карту розподілу генів в одній з хромосом дрозофіли. Потім були складені такі карти і для інших хромосом.

Генетична карта - це відрізок прямої, на якій позначено порядок розташування генів і вказано відстань між ними у відсотках кросинговеру. Вона будується на основі результатів аналізуючого схрещування.

Картування проводиться, щоб дізнатися, в якій парі хромосом і на якій генетичній відстані (коефіцієнт рекомбінації), або в якій частині хромосоми розташовані гени.

Побудовано генетичні карти для багатьох об'єктів. Серед покритонасінних рослин краще за все вивчено генетичні карти кукурудзи, ячменю, рису, томатів та ін. У тварин такі карти складено для дрозофіли, а серед ссавців - для миші.

Доведено, що такий розподіл генів у хромосомах є за-гальнобіологічною закономірністю.

У людини аналіз зчеплення генів класичними методами, розробленими на дрозофілі, неможливий внаслідок неможливості експериментальних шлюбів. В

останні роки розроблено комплекс методів картування генів на хромосомах людини. Так, для вивчення груп зчеплення і складання карт хромосом використовують понад 15 методів.

Картування хромосом у людини проводиться шляхом аналізу родоводів та генетичного аналізу гібридних соматичних клітин.

Тривалий час були відомі тільки три аутосомні групи зчеплення і Х-

хромосомна. Новий період розпочався з 1968 p., коли вдалося встановити локалізацію гена групи крові Даффі у хромосомі 1. У людини відомі всі 24

групи зчеплення.

З загальної кількості генів геному людини 16000 тепер картовані на скелетній карті геномад, складеній за допомогою 1000 високополімерних ДНК-маркерів.

Виявлення груп зчеплення у хромосомах дає можливість побудови хромосомних карт, коли на хромосомі розміщення генів позначають у вигляді цяточок. Найбільш повно побудована карта Х-хромосоми. Локуси, зчеплені з Х-

хромосомою (а їх понад 200), віднесені до цієї хромосоми спираючись на аналіз родоводів (багато з них підтверджені методами гібридизації соматичних клітин).

Методи побудови карт хромосом ґрунтуються на передбаченні ймовірності кросинговеру по всій довжині хромосоми і випадкових обмінах між різними хроматидами.

Для картування хромосом застосовують гібридизацію соматичних клітин людини з клітинами різних тварин, переважно з клітинами миші. При культивуванні таких гібридних клітин на живильному середовищі відбувається постійна втрата хромосом людини. Коли в гібридній клітині залишається тільки одна хромосома від каріотипу людини, її можна ідентифікувати шляхом диференціального забарвлення. Визначивши потім вміст певного ферменту в даній клітині, можна стверджувати, що локус гена до цього ферменту розташований в цій хромосомі.

Незважаючи на певні труднощі при побудові генетичних карт і на їх відносність, детальна розробка карт - один з провідних методів аналізу поведін-

ки і тонкої будови хромосом.

Складання точних карт хромосом є необхідною передумовою подальшого прогресу теоретичної генетики людини. Це має виняткове значення для ви-

явлення та диференціальної діагностики спадкових хвороб плода, для ранньої діагностики цих хвороб, встановлення носіїв генетичних зрушень, які пере-

бувають у безсимптомній фазі, для визначення ме-дикогенетичного прогнозу.

Ще наприкінці XIX сторіччя вчені звернули увагу на відмінність за однією із пар гомологічних хромосом у хромосомних наборах самців і самок. У

диплоїдних соматичних клітинах людини хромосоми кожної з двадцяти двох пар (нестатеві хромосоми -аутосоми) подібні між собою, а хромосоми двадцять третьої пари - різні (статеві хромосоми - гетерохромосоми). Одна з гетерохромосом - паличкоподібної форми (так звана Х-хромосома), інша -

гачкоподібна (Y-хромосома). Отже, каріотип жінки можна позначити як 44А + XX, а чоловіка — 44А + XY (символом "А " позначають аутосоми).

Оскільки під час мейозу гомологічні хромосоми розходяться до різних гамет, то у однієї статі виникає лише один тип гамет (гомогаметна стать), у іншої - два,

які різняться будовою статевих хромосом (гетерогаметна стать).

Існують чотири основних типи регуляції статі статевими хромосомами:

1.ХУ-тип, за якого жіноча стать має дві XX статеві хромосоми і є гомозиготною (утворює гамети одного типу - X), а чоловіча стать має чоловічу статеву хромосому - У, яка відрізняється від Х-хромосоми величиною і формою. Чоловіча стать гетерогаметна (утворює гамети двох типів -ХІТ). Цей тип властивий ссавцям, комахам і більшості дводольних покритонасінних рослин.

2.Х0-тип - жіноча стать має дві Х-хромосоми, а чоловіча тільки одну Х-

хромосому. Х(9-тип зустрічається серед комах і ссавців.

3. ZW-тип. Жіноча стать має одну жіночу статеву хромосому W і другу відмінну від неї за формою і величиною статеву хромосому Z. Тут жіночастать є гетерогаметною, а чоловіча стать має дві однакових статевих хромосоми Z і є гомологічною.

ZW-тип притаманний деяким рибам, метеликам, птахам і дуже рідко зустрічається серед рослин.

4. ZO-тип - жіноча стать має тільки одну Z-xpo-мосому і гетерогаметна, а

чоловіча - дві Z-хромо-соми і гомогаметна. Цей тип відомий тільки в одного з видів ящірки.

Крім хромосомного, є й інші механізми визначення статі організмів.

Наприклад, у деяких безхребетних тварин (коловерток, дрібного багатоще-

тинкового черв'яка - динофілюса тощо) стать визначається ще до моменту запліднення. Ці тварини продукують яйцеклітини двох типів: великі, багаті на жовток, та дрібні, з невеличким запасом поживних речовин. Із яйцеклітин першого типу розвиваються самки, а з яйцеклітин другого - самці.

На стать майбутнього організму можуть впливати фактори зовнішнього середовища. Наприклад, у морського черв'яка бонелії - личинки, які при-

кріплюються до дна, розвиваються у великих (завдовжки до метра) самок. Ті ж із них, що потрапля ють на хоботок самки, під впливом її гормонів перетворюються на карликових самців (довжиною 1-3 мм) і мешкають у статевих шляхах самки.

У суспільних перетинчастокрилих комах (бджоли, джмелі, мурашки тощо)

самки продукують два типи яєць: запліднені та незапліднені (партеногене-тичні). З

яєць першого типу розвиваються диплоїдні самки, а з другого - гаплоїдні самці.

Згодом у соматичних клітинах самців кількість хромосом подвоюється, і вони стають диплоїдними.

На формування статі деяких риб і земноводних також впливають умови довкілля або гормони. Під час ембріогенезу в них закладаються водночас зачатки чоловічих і жіночих статевих залоз, але розвивається лише один тип. Цікавий приклад такого явища можна спостерігати у риб-"чистильників", самці яких мають "гареми" з декількох самок. Після загибелі самця його функції бере на себе одна із самок, у якої з недиференційованих зачатків розвиваються сім'яники.

Зміну статі в ході онтогенезу спостерігають у кільчастого черв'яка офріотроха.

Молоді особини цієї тварини спочатку стають самцями, а досягнувши певних розмірів, перетворюються на самок. Подібні приклади відомі також серед

ракоподібних і риб (наприклад, в акваріумних рибок-мечоносців самки з віком здатні перетворюватися на самців).

Статеві хромосоми, крім визначення статі, виконують і інші функції, оскільки містять гени, які впливають на різні системи органів. Успадкування ознак і властивостей, зумовлених генами, локалізованими в статевих хромосомах,

називається успадкуванням, зчепленим зі статтю. Це явище було відкрито Т.

Морганом. Характер зчепленого зі статтю успадкування істотно залежить від того,

вяких статевих хромосомах і в яких їх ділянках розміщені ті чи інші гени.

Устатевих хромосомах міститься одна з найбільших груп зчеплення. До її складу входить близько 90 генів. Ці гени поділяються на три підгрупи залежно від того, в яких ділянках X- і Y-хромосом вони розташовані.

До першої підгрупи віднесено гени, розташовані в парному сегменті статевих хромосом (у тій ділянці, яка однакова у X- і Y-хромосом). Такі гени частково зчеплені зі статтю і залишаються обмеженими Х-хромосомою тільки до кросинговеру між локусом їх розташування. Після такого кросинговеру гени переходять із X- у Y-хромосому і виникає

вже успадкування, характерне для генів, частково зчеплених із Y-

хромосомою. До цієї підгрупи належать багато генів, зчеплених зі статтю.

Гени, локалізовані в гомологічних ділянках X- і Y-хромосом, зумовлюють розвиток деяких хвороб:

•пігментна ксеродерма - захворювання, при якому під впливомультрафіолетових променів на відкритих ділянках тіла з'являються пігментовані плями;

•хвороба Огучі - в шарі паличок і колбочок сітківки та пігментному епітелії виникають дегенеративні зміни;

•спастична параплегія - слабкість у нижніх кінцівках в результаті дегенерації нервових шляхів у спинному або головному мозку;

•епідермоліз бульозний - утворення міхурів після механічної травми шкіри.